卵泡刺激素的研究进展

卵泡刺激素的研究进展发布者：任春明等发布时间：2006-6-3010:09:00内容摘要摘要卵泡刺激素（FSH）是一种糖蛋白激素，其主要的生理作用是促进雌性动物子宫内膜生长、排卵、刺激多卵泡发育及刺激雄性动物精子发生。本文综述了近年来在FSH的分子结构、理化性质和作用机理等方面的研究进展及其在超数排卵、卵母细胞体外成熟和治疗人类相关生殖疾病方面的应用前景。正文文字大小：大中小卵泡刺激素又称促卵泡激素（FollicleStimulatingHormone，FSH），是一种糖蛋白激素，分子量约为30KD，属于糖蛋白激素家族。它能促进颗粒细胞增生，刺激类固醇生成，调节配子细胞的发育和成熟，是下丘脑-垂体-性腺轴中的主要激素之一[1]。对FSH的研究始于20世纪20年代，早在1920年，Zondek和Aschheim就提出雌性动物垂体可能还有两种促性腺物质：一种是刺激卵泡成熟，另一种是促进排卵形成黄体。1927年，Smith等证明动物在切除脑垂体后性器官萎缩，而移植垂体则可使其恢复。1931年，Ferold等首次成功地将垂体提取物分为两种不同的成分后被其他学者定义为卵泡刺激素（FSH）和促黄体生成激素（LH）。FSH在不同哺乳动物之间存在明显的种属特异性，马和猪垂体中FSH的含量最高，人次之，牛、羊等含量较低。女性在健康状态下血清中FSH的含量：卵泡期0.7~1.2μg/ml，排卵期1.4~3.8μg/ml，黄体期0.4~2.1μg/ml，月经期0.5~2.5μg/ml。卵巢或睾丸发育不良时，孕酮和睾酮浓度下降，对下丘脑和脑垂体的副反馈作用减弱使FSH浓度较高[2]。随着对FSH研究的深入，发现FSH在动物繁殖育种、超数排卵及胚胎移植和人类相关疾病治疗上有广阔的应用前景。对FSH及其基因工程的研究已经成为世界范围内的热点。本文将综述FSH的结构和生物学功能的研究进展及其应用前景。1FSH的化学结构与性质FSH是由动物垂体前叶嗜碱性细胞合成和分泌的一种糖蛋白类促性腺激素[3]。其分子主要含有4类碳水化合物：己糖（3.90％），氨基己糖（2.40％），岩藻糖（0.40％），唾液酸（1.40％）。FSH的分子量在动物间存在种属差异，大致在30KD左右。FSH是由两个非共价结合可解离的亚基所组成，称为α-亚基和β-亚基，α-亚基由92～96个氨基酸组成，β-亚基由109～115个氨基酸组成[4,5]。两亚基通过内部二硫键维持自身正确的三级结构，C端残基的位置决定其折叠的三维空间结构。糖基是以N-糖苷键的方式连接在α和β两个亚基各自的区域[6]。由垂体分泌的FSH、LH、促甲状腺激素（TSH）及胎盘产生的绒毛膜促性腺素（CG）它们共同组成一个糖蛋白激素家族。它们的功能各异，结构却极为相似，都是由α-亚基和β-亚基所组成。在同一种内α-亚基是确定的，甚至在所有哺乳动物中的α-亚基的氨基酸序列都是保守的，它们的α-亚基可以互换，而β-亚基不能互换，β-亚基具有激素各自的特异性，又具有种间特异性，是激素生物活性和免疫活性的决定因素[7]。α-亚基和β-亚基单独都不具有生物活性，只有当两者结合在一起引起立体结构上的变化,才具有生物活性[8]。一般认为，α-亚基负责信号传导作用[9]，β-亚基是功能亚基，参与受体结构。后经研究发现，α-亚基和β-亚基均参加受体结合和信号传导作用[10]。2FSH基因的分子结构FSH-α亚基基因由3个外显子和3个内含子组成，含有24个氨基酸的前导序列及编码96个氨基酸的DNA序列。FSH-α、-β亚基基因与FSH蛋白质的结构如图1所示[11]：图1FSH-α、-β亚基基因与FSH蛋白质的结构示意图人的FSH-α亚基基因有12个碱基对缺失，因此在其成熟蛋白质中N末端（5～8）连接的氨基酸不足4个。各畜种促性腺激素的α、β亚基分别为10、12个氨基酸残基，其位置相当稳定。FSH-β亚基基因由3个外显子和2个内含子组成[9]，编码110多个氨基酸的蛋白质。第一外显子是5ˋ非翻译区，第二外显子前端有编码7个氨基酸的信号肽序列，信号肽含4个半光氨酸残基，具有很强的亲水性。第三外显子一般编码36～111个氨基酸残基，并具有3ˋ非翻译区。第一内含子800bp，在不同的糖蛋白激素中其位置变化较大。第二内含子约1.4kb，保守性相当强[12]。3FSH的分泌及代谢FSH的生物合成包括卵泡刺激素蛋白的翻译和碳水化合物的添加，添加碳水化合物是一种边翻译边修饰和翻译后修饰的过程。在异二聚体中，α、β两亚基各自的基因转录成mRNA后，翻译成α、β亚基前体，然后切除信号肽，两亚基在内质网上结合并起始寡糖链的合成，糖基化的异二聚体随之被转移到高尔基体，在这里进行糖类的特别修饰，出现特异性的亚基而成为具有活性的成熟FSH[13]。在异二聚体合成过程中，自由的α亚基往往是被过量合成和分泌的，FSH的合成还受到雌二醇（E2）等激素的反馈抑制[14]。FSH的分泌呈脉冲式，在血中浓度取决于脉冲分泌的频率、释放激素量及降解速率。FSH通过肝、肾清除，血液中清除主要有两种形式，即最初的快速消失相和随后的慢速消失相，半衰期分别为3.90h和70.40h[15]。唾液酸连接在糖蛋白多肽链的末端，在FSH的分解代谢中可以阻止其与肝细胞膜上的载体蛋白结合，减缓其降解速度，延长半衰期，增加生物学活性，如果去掉唾液酸，则会导致FSH末端半乳糖部分暴露，使其在体内的活性大大减少[16]。羊FSH生物活性比牛要强得多，这可能就是与牛FSH唾液酸成分含量较少有关。动物刚出生时血液中FSH的含量很低，之后随着年龄的增长而缓慢上升，到初情前期，虽然腺垂体中FSH的浓度较高，但血液中FSH的浓度依然很低。到初情开始后，垂体大量分泌并释放FSH，才使血液中FSH的浓度大幅度升高。性成熟母畜，血液中FSH的浓度随发情周期呈周期性变化，畜种不同血液中FSH的含量也不同，但其变化规律是相似的：发情前期，呈现波动性升高，随后稍微降低；排卵前，升至发情周期的最高水平；排卵后，迅速降至较低水平呈现较稳定的脉冲式分泌；妊娠期，由于血液中高水平孕酮的反馈性调控，FSH的浓度较低；泌乳期，血液中FSH浓度也较低；乏情期，FSH的浓度低于发情周期中的基础值[17]。4FSH的生物学活性及其作用机理FSH在雌性动物可促进子宫内膜生长、排卵、刺激多卵泡发育等。靶细胞上存在着FSH的特异性受体，FSH与细胞膜上的卵泡刺激素受体结合后，通过G蛋白偶联机制激活腺苷酸环化酶，使细胞内cAMP增加或引起钙离子内流，从而对细胞的代谢或功能活动产生影响[18]。FSH与受体结合后产生两种作用。一方面活化芳香化酶，另一方面诱导LH受体形成。内膜细胞在LH的作用下提供19碳底物-雄烯二酮或睾酮这些底物通过基底膜进入颗粒细胞，活化的芳香化酶把它们转变为17-βE2，而卵泡内膜本身只能产生很少量的雌激素。雌激素协同FSH使颗粒细胞增生，内膜细胞分化，卵泡液形成卵泡腔扩大，从而使卵泡生长和发育[19]。在自然条件下，单胎动物只有一个卵泡发育成熟至排卵，即使多胎动物也只有部分卵泡发育成熟，其他卵泡在不同发育阶段先后退化，可见正常垂体分泌的FSH只能保证一个或部分卵泡发育成熟。如果在发情前期给动物注射大量FSH，就能使将要退化的卵泡发育成熟，其排卵量可超过正常排卵数的若干倍，例如对波尔山羊注射FSH，获得了显著的超数排卵效果[20,21]。另外，FSH还可直接作用于卵巢，刺激卵巢生长，增加卵巢重量[22]。FSH对雄性动物可刺激精子的发生，它能刺激曲细精管上皮和次级精母细胞的发育，在LH和雄激素的协同下使精子发育成熟。曲细精管内的支持细胞是FSH的靶细胞。FSH对支持细胞的作用之一，就是刺激分泌一种雄性素结合蛋白（ABP）。ABP对睾酮有很大的亲和力，与睾酮结合，借以保持曲细精管腔内睾酮的高水平，从而在曲细精管内对精子的发生起作用。值得注意的是如果只增加FSH的量，虽能使睾丸增大，曲细精管上皮细胞分裂活动增加，精子细胞增多，但并无成熟精子形成。通过基因敲除法制备FSH基因突变鼠以研究FSH基因功能，发现雌性动物由于卵泡发育受阻而不育，而雄性小鼠即使睾丸较小，附睾精液量减少75％，却仍可育[23]。可见FSH对雌性生殖的作用是绝对的，而对雄性动物来说，FSH则影响较小。此外，FSH还能促进其它糖蛋白激素的合成，并可反馈调节下丘脑-垂体-性腺轴，调节性腺激素的合成和分泌；另有证据表明FSH可专一地刺激和诱导原癌基因c-fos与c-mycmRNA水平的增加[24]。5FSH的应用前景5.1FSH在动物繁殖育种中的应用FSH在促使家畜性成熟提前、诱导泌乳乏情期的母畜发情、提高公畜精液品质、治疗母畜卵巢疾病和胚胎移植中的供体超数排卵等领域的应用中已经得到了深入的分析和总结，近年来又对胚胎移植与超数排卵（MOET）、卵母细胞的体外成熟（IVM）和体外受精（IVF）进行了深入研究和探索。使我们进一步了解了FSH在动物繁殖育种中的应用[25]：（1）促使家畜性成熟提前：某些家畜的繁殖具有季节性，如果出生较晚，性成熟时有可能错过繁殖季节，接近性成熟的家畜孕酮处理，配合使用FSH，可使它们提早发情配种；（2）诱导泌乳乏情期的母畜发情：FSH处理，可诱导泌乳乏情期的母畜发情和配种，缩短胎间距，提高母畜的繁殖效率；（3）提高公畜精液品质：公畜精子密度不足或精子活力差可致母畜不孕，应用FSH和LH治疗，可提高精子密度，改善精液品质；（4）治疗母畜卵巢疾病：FSH对卵巢机能不全，卵泡发育停滞或交替发育均有较好疗效；（5）超排处理：在胚胎移植工作中，为了获得大量的卵子和胚胎，常用FSH对供体动物进行处理，使其卵泡大量发育成熟和排卵。（6）卵母细胞的体外成熟和体外受精。家畜卵母细胞体外成熟和促性腺激素有着密切的联系。添加适当的激素可以促进卵母细胞的完全成熟，从而进一步应用于体外受精，一般以FSH、LH、E2为添加物[26]。近年来，对动物经济性状（数量性状）多基因构成的遗传分析研究成为遗传学研究的热点，而对FSH的亚基基因的研究更是众多研究热点中的热点。FSH的亚基基因被看作是畜种产仔数的一个后选基因。丁家桐等研究发现FSH的亚基基因对猪产仔数具有显著影响，且对胎儿的生长有显著的促进作用，因而认为FSH的亚基基因应该可以作为对猪提高繁殖力进行选择的遗传标记[27,28]。柳淑芳等研究证实雌激素受体基因和FSH的亚基基因是影响猪高繁殖力的两个主要基因[29]。利用基因工程方法可以大量生产高纯度的FSH,应用于动物繁殖育种，选育出优良性状的品种，在一定程度上可提高家畜的繁殖性能，降低生产成本，带来广泛的经济前景，推动国民经济的发展。5.2FSH在超数排卵及胚胎移植中的应用目前，FSH已被广泛应用于山羊、牛等一些动物的超数排卵、同期发情及胚胎移植工作。通过超数排卵可以获得大量整齐、优质的卵子或受精卵，而这又是进行胚胎移植、转基因研究的前提条件之一[30]。动物超数排卵的效果受许多因素的影响，如FSH制剂的用量和质量、处理方式及卵巢状态等[31]。山羊超数排卵技术现在已日趋成熟。超排常使用的激素有FSH和孕马血清促性腺激素（PMSG），FSH的效果要好于PMSG，故目前山羊超排多使用FSH[32]。岳奎忠等研究发现两者联合使用比单独使用可获得更多的排卵[33]。曾培坚等将FSH溶解在聚乙烯砒咯烷酮（PVP）中进行超排，不仅延长了FSH的半衰期，增加了FSH的作用效果，而且一次性肌注更有效地避免了山羊应激反应[34]。胚胎移植技术是家畜繁殖领域中的一次重大革命，它能够提高优秀种畜的繁殖力，充分利用遗传基因，对家畜的育种、保种、引种及经济效益的提高都具有非常重要的意义[35]。超排技术是胚胎移植中最基本和重要的技术之一。内蒙古自治区首例奶牛胚胎移植繁殖技术在包头市取得成功，本地土种黄牛顺利产下了6头健壮的黑白花母牛犊[36]。羊胚胎移植技术是近30年来国际上发展很快的一项生物技术，在畜牧业发达的国家，羊胚胎移植技术自七十年代中期就从实验性研究逐步转入了应用阶段，实施